（动力机械及工程专业论文）柴油机燃烧排放的数值模拟分析.pdf

柴油机燃烧排放的模拟分析 捅要 随着石油资源短缺和环境污染加剧，内燃机的发展面临着越来越严峻的挑 战。世界各国为了限制内燃机的排放污染，制订了越来越严格的排放法规。在 柴油机排放气体中的有害成分主要有一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、未燃碳 氢化合物( h c ) 、以及微粒( p m ) 等。由于柴油机的空燃比相对来说比较大， 其c o 和h c 排放较低，主要的排放污染物是氮氧化物和微粒。因此，采取有 效措施来降低柴油机有害气体的排放并推广其应用，对改善环境污染和延缓能 源危机等问题具有重要的理论意义和实际价值。 利用p r o e 、h y p e r m e s h 、c f d 软件对z s l 9 5 柴油机气缸及其进排气道进 行三维动网格建模，通过此模型对柴油机缸内燃烧排放进行模拟分析。 本文对z s l 9 5 柴油机燃料重整和缸内早喷进行了模拟计算，分析了掺烧甲 醇和缸内早喷两种种情况下柴油机的流场、温度分布、燃料分布、n o x 浓度分 布和碳烟排放。 结果表明：柴油掺烧甲醇，由于甲醇热值低、气化潜热高、十六烷值低等 特点，降低了缸内燃烧温度，n o x 和碳烟的排放下降；缸内早喷燃烧是通过较 大的喷油提前角使混合气有充分时间混合，增加混合气的均匀程度，降低了 n o x 和碳烟的排放。 关键词：燃料重整：掺烧；气化潜热；十六烷值； i i i n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so fd i e s e l sc o m b u s t i o n a n de m i s s i o n a bs t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys h o r t a g eo fp e t r o l e u mr e s o u r c ea n da g g r a v a t i o no f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sf a c i n g m o r ea n dm o r es e v e r ec h a l l e n g e a l lc o u n t r i e so ft h ew o r l dh a v ed r a w nu pt h e i n c r e a s i n g l ys t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n st ol i m i t i n gt h ep o l l u t i o no ft h ee n g i n e t h e h a r m f u lc o m p o s i t i o n si nt h ed i e s e le n g i n em a i n l yi n c l u d et h ec a r b o nm o n o x i d e ( c o ) ，t h eu n b u r n e dh y d r o c a r b o n s ( h c ) ，t h eo x i d e so fn i t r o g e n ( n o x ) a n dt h e p a r t i c u l a t em a t t e r s ( p m ) d u et oah i g ha i r f u e lr a t i oi nt h ed i e s e le n g i n e ，c oa n d h ce m i s s i o n sa r el o w , t h em a i ne m i s s i o n sa r en o xa n dp m t h e r e f o r e ，t h e p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fd i e s e le n g i n ew i t hr e d u c i n gn o xa n dp m e m i s s i o nb ye f f e c t i v em e a s u r e sw i l lb eo fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a lv a l u et od e l a ye n e r g yc r i s i sa n di m p r o v e se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h e3 - d i m e n s i o n a lg r i dm o d e l si n c l u d i n gi n l e tv a l v ea n de x h a u s tv a l v ef o rt h e z s19 5t y p ed i e s e le n g i n ea r ee s t a b l i s h e db yu s i n gp r o e ，h y p e r m e s ha n dc f d t h e c o m b u s t i o ni nc y l i n d e ri ss i m u l a t e d t h ef u e lr e f o r m a t i o na n da d v a n c e di n j e c t i o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r ，a n dt h e f l u i d ，t e m p e r a t u r e ，f u e l ，n o xc o n c e n t r a t i o na n ds o o ta r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nm i x b u r n i n gm e t h a n o lw i t ht h ed i e s e l f u e l ，t h ei n c y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，n o xa n ds o o ta r er e d u c e d ，t h i si sb e c a u s et h a tt h e m e t h a n o lh a sal o wh e a tv a l u e ，ah i g hv a p o r i z a t i o nl a t e n th e a t ，a n dal o wo c t a n e n u m b e r f o ra d v a n c e di n je c t i o n ，t h ef u e lh a se n o u g ht i m et om i xw i t ht h ea i r ， t h e r e f o r ei n c r e a s i n gt h eh o m o g e n e i t yo ff u e l a i rm i x t u r e ，a n dr e d u c en o xa n ds o o t k e y w o r d s ：f u e lr e f o r m e d ；m i x b u r n i n g ；v a p o r i z a t i o nl a t e n th e a t ；c e t a n en u m b e r ； i v 插图清单 图1 1 影响柴油机排放的因素2 图2 1 三维实体单元划分基本过程示意图6 图2 2 导入三维几何数据的对话框7 图2 3 几何清理后模型8 图2 4 面编辑面板8 图2 5 缸体项部平面网格9 图2 6a u t o m e s h 面板9 图2 7 燃烧室网格1 0 图2 8d r a g 面板10 图2 9 缸体和气门座网格1 l 图2 1 0t e t r a m e s h 面板一1 1 图2 1 1 燃烧室三维网格1 l 图2 1 2s p i n 面板12 图2 1 3t 0 0 1 f a c e s 面板1 2 图2 1 4 进气道网格1 2 图2 1 5 气缸与进排气道模型网格1 3 图3 1 软件模拟流程图1 4 图3 2 湍流模型选项面板17 图3 3 边界条件选项面板18 图3 4 问题提示菜单18 图3 5 压力进口选项面板1 9 图3 6 压力出口选项面板2 0 图3 7 燃烧模型设置选项2 2 图3 8n o x 选项面板一2 3 图3 - 9s o o t 选项面板2 4 图3 1 0 动网格参数设置一3 0 图3 1 1 动网格运动变形边界设置面板3 0 图3 1 2u d f 导入示意图3 3 图4 1 模拟值与实验值压力对比3 5 图4 2sl9 5 柴油机温度、n o x 变化曲线图3 5 图4 3 进气门全开缸内流场和温度示意图3 6 图4 - 4 喷油前6 。缸内流场、温度和n o x 示意图3 6 图4 5 上止焦缸内流场、温度和n o x 示意图3 7 图4 - 6 上止点后6 。缸内流场、温度和n o x 示意图3 7 i x 图4 7 喷油前6 。缸内燃烧流场、温度对比3 9 图4 8 上止点时缸内流场、温度对比4 0 图4 - 9 上止点后6 。缸内流场、温度对比4 0 图4 10e g r 对n o x 排放的影响4 l 图4 1 1e g r 的s o o t 排放的影响一4 l 图4 12 柴油掺烧甲醇流场对比示意图4 4 图4 13 柴油掺烧甲醇温度对比示意图4 5 图4 1 4 柴油机掺烧甲醇含量对n o x 影响示意图4 6 图4 1 5 柴油机掺烧甲醇含量对s o o t 影响示意图4 7 图5 1 柴油浓度等值线对比4 8 图5 2 柴油机缸内温度对比4 9 图5 3 柴油机缸内n o x 对比5 0 图5 4 柴油机缸内s o o t 对比一5 1 图5 - 4 缸内温度对比5 3 图5 5e g r 对缸内早喷柴油机燃烧温度的影响5 3 图5 - 6e g r 对缸内早喷柴油机燃烧压力的影响5 4 图5 7e g r 对缸内早喷柴油机n o x 排放的影响5 4 图5 8 缸内s o o t 对比5 4 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥8 墨王些态堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：兰二三，一l签字日期：a 嘶亿年c 朋y y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目里王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：殳互2 l 签字日期：吖湃妒月沈日 学位论文作者毕业后去向：专已兰l 工作单位： 通讯地址： i i 新繇诱枷导师签名：夕u 廖w ( 妒 签字日期：功f o 年牛月名日 电话： 邮编： 致谢 三年的研究生学习生涯，在不知不觉中结束了，在这段时间内，作者所取 得的每一点进步都离不开师长的指导、同学的帮助和亲友的鼓励。本文工作是 在导师汪春梅副教授的悉心指导下完成的。汪老师扎实的理论知识、丰富的实 践经验、勤勉的工作精神、踏实的为人风格，孜孜以求、诲人不倦，使本人受 益匪浅，也是我今后工作和学习的楷模。谨此，向导师表示深深的敬意和衷心 的感谢。 感谢教研室左承基老师、滕勤老师、刘一鸣老师、孙军老师、程晓章老师、 钱叶剑老师、谈建老师、徐天玉老师、路苏军老师，感谢他们的教导和帮助； 感谢宋小芹师兄，他的工作为本篇论文打下了坚实的基础。 感谢杨绪元、黎幸荣、张超、张军、马勇、刘利平、安鹏、张健等同学在 学习、生活以及论文完成过程中对我的帮助和支持。 感谢张立、傅春宏同学在软件h y p e r m e s h 学习中对我的帮助。 感谢罗渝、王国庆、蒋文龙、孙新岳、董青等同学在我研究生生涯中对我 学习和生活中的帮助。 最后，在外求学多年，父母和许多亲属都给予我无私的支持和无微不至的 关怀，使我能全身心地投入到学习中。同样也要向他们表示深深的谢意! 最后向所有的关心和帮助过我的人表示感谢! v 作者：王立杰 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 自从莱诺依在l8 6 0 年发明了第一胎大气压力式内燃机以来，内燃机工业 已经经历和发展了一个多世纪，各项性能得到了长足的进步，并且随着内燃机 的发展，它在人类社会中扮演着越来越重要的角色，在农业、工业、交通等领 域得到了广泛的应用【lj 。 但是随着国民经济的发展和汽车保有量的增加，石油短缺问题日益突出， 特别是1 9 7 3 年的石油危机以后，人们更加清醒地认识到地球的石油资源并不是 取之不尽的。根据有关统计资料显示，如果按现在全世界日消耗石油6 5 0 万桶 再加上增长的1 5 0 万桶计算，预计2 0 3 5 年之前地球上的石油资源将会消耗殆尽 悼j 。因此，节约能源，使用代用燃料将成为解决石油枯竭的最有效的方法之一。 同时，随着世界经济的发展，车辆的增加，其尾气污染己经成为全世界的 主要污染源之一，据统计：大约有超过6 0 - - 8 0 的空气污染物为车辆排放尾 气所造成【3 j 。内燃机排气污染控制的优劣，既影响人类的健康、生态平衡及我 们所生存的环境，也影响到内燃机、汽车等产品在国内外的销售及竞争能力。 从上世纪6 0 年代开始，美国、日本、欧共体国家相继制定了汽车排放限制标准， 以控制汽车排放对人类生存环境带来的日益严重的危害。排放限制标准的出台， 迫使汽车制造业和相关的研究机构甚至政府部门倾注大量的人力和财力来研究 降低排气中各种有害排放物的对策和控制技术。但是，单纯依靠改善内燃机燃 烧系统来改善汽车排放来达到排放限制标准已受到许多限制。因此，发展清洁 代用燃料显得日益迫切1 4 j 。 综上所述，世界石油资源短缺和生态环境的保护是2 1 世纪人类面临的主要 问题，这必将对汽车传统的石油燃料发起挑战，合理地利用资源及开发清洁代 用燃料将是人类面临的首要问题之一。 1 2 影响柴油机排放因素 内燃机用碳氢混合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，如果不考虑燃料中的微 量杂质的话，将只产生二氧化碳( c 0 2 ) 和水( h 2 0 ) 。水在地球上大量存在， 内燃机排出的水分不会对地球水循环构成重大影响。至于c 0 2 ，过去并不认为 它是一种污染物，但是因为含碳化石燃料的大量使用，使地球的碳循环失衡。 大气中的c 0 2 体积分数已从工业时代的2 8 10 4 增加到现代的3 6 10 q 左右 j ，加剧了“温室效应 ，引起全人类的关注。 影 响 柴 油 机 排 放 的 因 素 。 燃料 二 运行参数 结构参数 3 d 面网格 图2 1 三维实体单元划分基本过程示意图 2 3 几何清理 2 3 1 将气缸及进排气道三维几何模型导入h y p e r m e s h 将在p r o e 中建好的气缸及进排气道c a d 模型以i g e s 格式导入有限元前 处理软件h y p e r m e s h 中。导入步骤为： ( 1 ) 启动h y p e r m e s h ； ( 2 ) 选中h y p e r m e s h 右侧的g e o m 菜单； 6 ；t 目：i 一馥电，“。观 呵 * p 1 t 日丽r f r t i 一 r 一 - l r 哪 m rq f 删 日q g - e s 一自目魑目m 一 i r t 1 t r ! l * ! ! ! ! g j _ 图2 2 导入三维儿何数据的对话框 ( 3 ) 选中f i l e s ，弹出对话框如图2 2 所示； ( 4 ) 依次选择i m p o r t 、g e o m 、i g e s 选项； ( 5 ) 在f i l e 对应的文本框中，选中需要划分模型的文件名 ( 6 ) 点击右侧的i m p o r t 和r e t u r n 。 2 32 模型几何清理 在h y p e r m e s h 中进行几何清理的途径主要有两条： ( i ) 三维实体造型软件中对模型进行预先的清理，很多模型中某些小特征， 需要在三维实体造型软件中预先对这些特征进行一些必要的处理。 ( 2 ) 在h y p e r m e s h 中利用g e o m e t r y 、c l e a n u p 、d e f e a t u r e 和2 d m e s h 等菜 单中的各项功能对模型进行几何清理。 几何清理的步骤： 对模型进行几何清理按照以下的步骤来进行： ( 1 ) 按照实际网格划分的要求，在p r o e 中对孔、倒角、倒圃等一些小的 几何特征进行处理。经过处理之后，实体模型中的一些小的几何特征得到处理， 只存在自由边，这是对模型进行的第一步也是最粗略的几何清理。 ( 2 ) 将第一步处理后的模型导入到h y p e r m e s h 中进行检查，如果模型中 存在自由边则首先应用g e o m e t r yc l e a n u p 、e d i ts u r f a c e 等工具进行处理，相对来 蜕这一步是对模型进行粗略的清理。通过这一步骤处理之后，可以消除绝大部 分的自由边，但是，仍然存在一些特殊的自由边无法消除。 ( 3 ) 对于模型来说，因为建模或数据接口等方面的原因，经过第二步的处 理后仍然存在自由边，这些自由边无法单纯的依靠h y p e r m e s h 中的几何清理功 能完全消除。所以，就需要雨重新导入到p r o e 中，针对这些特殊的部位对其 进行适当的处理后。 ( 4 ) 经过前三步的几何清理后，模型上不存在自由边。在h y p e r m e s h 中 模型不存在自由边是网格划分的前提，但并不意味着一定就能实现体网格的划 分，还需要利用h y p e r m e s h 中的面剖分、线压缩、相邻点的合并等功能对模型 进行进一步的清理。 模型清理后图形如图2 - 3 所示： 圈2 3 儿何清理后模型 233 模型划分方案 由于模型要导入到f l u e n t 中做网格动态变形，所以采用适合做动网格的 五面体、六面体网格对模型进行划分， 本文中的模型的几何特征较多，所以在划分网格的时候如果单纯的整体划 分的话可能导致网格质量不好，s k e w 过太，从而直接影响模拟的准确性，所以 采用分块划分网格： ( 1 ) 气缸和气门阀座相对规则的几何体采用d r a g ( 拉伸) 命令对其划分； ( 2 ) 燃烧室由于只是单纯的网格上下运动，不涉及到网格变形，所以此区 域用四面体网格对其划分： ( 3 ) 进排气道的划分是本次划分网格的关键，由于其内部曲面不规则，且 涉及动态变形，所以对此区域的网格划分要格外的细致，对与此部分划分采用 s p i n ( 旋转) 方式进行划分。 234 二维网格划分 在h y p e r m e s h 中导入已经几何清理过的模型，选取需要划分的平面，在二 维网格划分中主要划分缸体顶部平面、燃烧室涉及的平面。 1 缸体顶部平面网格划分 1 ) 使用s u r f a c ee d i t 面板( 如图2 - 4 所示) ，把缸体地面和进排气座所包含 的几何特征映射到缸体顶部平面中； i l ：g 8 毽4t 。 。 “ + 0 一二0。“y 。 。 二。3 0 ：兰_ = 三盘= ；= i = 图2 4 面编辑面板 鄱j 一 曼 一 2 ) 把映射完成的几何平面分块进行划分，在划分的时候采用网格质量较 好三角形对其划分调节网格形状，避免s k e w 过大。 3 ) 二维网格质量检查。 at 0 0 1 c h e e ke l e m s 面板中选择2 d 子面板，在2 d 子面板上选择a s s i g n p l o t 选项，单击j a c o b i a n ，在网格图形区域会显示单元雅克比值的云图； b t 0 0 1 e d g e s 面板中选择窗1 3 中要检查的网格点击f i n de d g e s ，在e d g e s 面板中沿着所选的壳单元的所有自由边生成一维单元，这些单元被放在e d g e s 这个组件集合器中，通过他们可以消除单元网格的缝隙，完整平面网格。缸体 顶部平面网格如图2 - 5 所示： r l 一 图2 5 缸体顶部平面阐格 2 燃烧室网格划分 1 ) 由于缸体顶部平面中具备燃烧室与气缸底面重合面的特征，所以，选 取缸体顶部平面中燃烧室与气缸底面重合面部分，将网格映射到此重合面上； 2 ) 对燃烧室其他平面进行网格划分，划分的时候要注意网格节点要一致， 否则会产生错误；二维网格划分面板如图2 - 6 所示： 0 1 ；_ e - 一毽魂f “e e 一o ， = ；o ，一r _ 三= 业j j w 二 ! ! ! j ! = ! j 9 1 i j 1 ”。”口。h 一“：1 。 ” 1 。”兰笔e ! 一 一，。一，e 目日 图2 6a u t o m e s h 面板 3 ) 网格质量检查，此过程与缸体顶部平面网格检查相同。 燃烧室网格如图2 - 7 所示： r 弋 l 一一 图2 7 燃烧室网格 2 35 三维网格划分 h y p e r m e s h 的实体网格划分功能非常强大，其基本思路是在二维网格基础 上，通过“挤压”、“扫略”等方式生成三维实体单元。h y p e r m e s h 三维实体网 格生成的主要工具有：d r a g 面板、s p i n 面扳、l l n ed r a g 面板、e l e m e n to f f s e t 面 板、l i n e a rs o l i d 面板、s o l i d m e s h 面板以及s o l i d m a p 面板等。 1 缸体和气门座部分网格三维网格划分。 在此部分中，网格主要是通过由已经生成的二维缸体顶部平面的网格拉伸 而成。 1 ) 选取缸体顶部平面网格通过d r a g 面板( 如图2 - 8 所示) 设置拉伸长度， 拉伸网格的厚度和层数来控制网格大小，生成缸体平面： 嚷晚，观_ ： + q 日口- 6 为蓐日 。一二兰兰= 一妻翻 二正二堂坐窭璺刚 翻2 - 8d r a g 面板 2 ) 选取进排气门座在缸体顶部平面映射的平面网格进行拉伸，操作与( 1 ) 类似；此部分生成网格如图2 - 9 所示： 图2 - 9 缸体和气门座网格 2 燃烧室三维网格划分 燃烧室由于采用四面体网格，在233 中已经生成的质量很好的二维面网 格，所以此部分只需在t e t r a m e s h 四面体网格划分面板( 如图2 - 1 0 所示) 选取 燃烧室的所有外部平面，有系统自动划分即可，划分完成有在t e t r a m e s h 面板 中手动调节网格质量，燃烧室网格如图2 - 1 1 所示： j ”d “甓q 一：e ” ；l - 。l ：= 。兰一：“= 羞= ? r ：3 7 2 鼍i 手_ _ 1 目i 日 图2 1 0t e t r a m e s h 面板 图2 1 1 燃烧室三维网格 耍 3 进排气道网格划分 进排气道由于几何特征不规则，而且又要采用五面体、六面体网格，所以 在此部分的划分中采用s p i n 面板对其划分，以进气道为例，对其进行网格划分： 1 ) 在h y p e r m e s h 中采集进气道法线中心面的节点，通过节点生成进气道 中心面： 2 ) 对此中心面进行网格划分，在划分过程中要保证各个网格都是沿着法线 方向，对非法线方向网格和不规则网格通过s e l e c tc o r n e rn o d e s 面板进行调节； 3 ) 进气道三维网格划分。选取此中心面网格，通过s p i n 面板( 如图2 1 2 所示) 设置网格旋转中心、旋转方向、旋转角度和在此方向上生成网格的数量 来控制网格大小和网格质量； 口7 t 目，l 炯嘎觑，一，a _ 口一= j 一 ：目目u + 4 n e s “ 主= = _ 1= i j ! ! ! t j 图2 - 1 2s p i n 面板 4 ) 网格调节。由于模型上的所有网格都要完全连接在一起，对应网格节点 必须重合，而在进气门座和进气道的重合面中必定存在部分网格、网格节点不 重合，所以选定这两部分网格通过t 0 0 1 f a c e s 面板( 如图2 - 1 3 所示) 沿着模型 中缝检查单元的连续性，修改不连续单元使其网格和网格节点重台，保证模型 的连通性； gr 目 i 晓囊，一 岫, 2 j 二鱼# t j r 1 盯 图2 13t o o lf a c e s 面板 5 ) 排气道网格划分与此相同； 进气道网格如图2 - 1 4 所示： r 1 图2 1 4 进气道阿格 236 气缸与进排气道模型网格 连接备部分网格，在t 0 0 1 f a c e s 面板中检查网格节点和网格平面是否重台 删除所有面网格，得到如图2 15 所示的气缸与进排气道模型网格。 圉2 1 5 气缸与进排气道模型网格 第三章数学模型的生成及软件介绍 内燃机缸内燃烧流场的数值模拟分析是通过对z s19 5 模型进行物理建模和 数学建模后进行计算，对计算结构进行分析而得出。应用的守恒方程有：质量守 恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程以及理想气体状态方程。建立数学模型 时应选用适当的计算方法和边界条件。 3 1 计算模拟流程图 本文对z s l9 5 的建模、模拟过程如下图3 1 所示： l h y p e r m e s h 网格划分 n a s 网格 网罐及 物理模型 边界条1 牛流体物j 陛确定 田 i 图3 。1 软件模拟流程图 1 4 3 2 主要控制方程 3 2 ，1 质量守恒方程 詈+ 昙( 训钉m ( 3 - 1 ) 源项s m 是稀疏相增加到连续相中的质量或者质量源项。 对于二维轴对称几何条件，连续方程可以写成： 粤+ 晏( 删) + 昙( ) + 卫：s 肘 ( 3 2 ) o to xo r r 式中，x 是轴向坐标；，一是径向坐标，“和v 分别是轴向和径向速度分量。 3 2 2 动量守恒方程 惯性坐标系下，i 方向的动量守恒方程为： 昙c 彤弘毒c 彤一，一毒+ 苦+ 昭，+ 曩 ( 3 3 ) 体积力，r 条件，轴向 式中，p 是静压；t i j 是应力张量，p g ，和f z 是重力体积力和其它 还可以包括其它模型或者用户自定义的源项。对于二维轴对称几何 和轴向的动量守恒方程分别为： 昙咖) + 吾昙( 渺甜) + 吾昙( 例“) = 一妾 la 4 一一一 ，o 1a i - 一一 ，务 却砉+ 吾如；) + p 等+ e ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 一一 一、il r o y 氏 v h ，、一、_孙副 2 3 加一缸丝苏， 硭丝办 堆 掣 a 一融 a 一勿 印一办 一 = 小吖泖 a 一毋1一， + 力咖 a 一甜1一， + d缈 a 一苏1 一r +饥 a 一兔和a 一甜 丝丹k r + 2 3以堡良 。一+ a “ 加v 其中v v = 豢+ 兰+ 二 呶o yr w 是旋流速度。 3 2 3 能量万程 在c f d 中，能量方程的求解如下式所示： 昙汹) + 毒纵胆+ 洲= 毒( 七够瓦o t 一办，鹄o 。b + 黾) c3 剐 式中，k 够= k t + 霓，为有效导热系数。，是组分，7 的扩散通量。s k 是包括化学 反应热和其它体积热源的源项。其中， e ：庇一旦+ 生 ( 3 - 7 ) p 2 对于理想气体，焓定义为：h = z , m 。i - ；对于不可压缩气体，焓定义为： 拈2 ，m j , 勺+ 号 8 ) m 是组分的质量分数，组分j 的焓定义为： h 一i c p ，d t ( 3 - 9 ) 其中= 2 9 8 1 5 k 。 3 3 湍流模型 3 。3 1 内燃机缸内湍流的特点 内燃机缸内湍流主要来源于进气射流在通过气阀时产生的强烈剪切层和射 流与缸壁的碰撞。在进气进行最猛烈时，缸内湍流度达到最大值。此时湍流分 布很不均匀，而且存在各向异性，主要可分为射流内的高湍流度区和其余部位 的低湍流度区。随着平均流速的减小，湍流开始衰减，同时由于对流和扩散作 用，整个缸内湍流趋向于均匀化和各向同性化口引。 3 3 2r n g ( 重整群化) r 占湍流模型 由于柴油机缸内气体的三维湍流流动极其复杂，具有强压缩性、强瞬变性 和各向异性等特点，所以在本研究中采用较适用与涉及快速应变、中等涡、局 部转候的复杂剪切流动的r n g 湍流模型。 r n gk e 模型在形式上类似于标准k s 模型，但是在计算功能上强于标准 k 一模型 2 3 1 ，其改进措施主要有： ( i ) r n g 模型中在e 方程中增加了一个附加项使其在计算速度梯度较 大射流场时具有更高的精度； ( 2 ) 模型中考虑了旋转效应因此对强旋转流动计算精度也得到提高； ( 3 ) 模型中包台了计算湍流p r a n d t l 数的解析公式，而不象标准k e 模型 仅用用户定义的常数； ( 4 ) 标准k c 模型是一个高雷诺数模型，而重整化群k 一模型在对近壁 区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。 a 湍流动能方程 鲁缸) + 毒( 胛扣苦卜筹l + g k + g b - 胆一+ 协t 。， b 传输方程 昙协) + 毒如o = 卜p 一考】+ c l ；( g ，+ q g ) 一c ：p 譬一疋+ s 。 ( 3 1 1 ) 式中：g 。表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，伉表示由于浮力影 响引起的湍动能产生；表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，这些 参数与标准k - e 模型中相同。吒和口。分别是揣动能k 和耗散率e 的有效湍流普 朗特数的倒数。 333 湍流流动的设置 湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与 经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方 程组湍流流动的设置如图3 - 2 所示： 曩墨雹宣- r = 一i ：器l f l ：端涮 ! 端9 一l ：黜器_ 二器l 趣一一i “j ? ：= 挈 i 冀9 ， ：= ：_ k 女_ 3 篇2 ：。i 詈鼎竺1 - 。 ；= = ：= 翟：篇篙一 图3 2 湍流模型选项面板 3 4 求解变量边界条件设置 边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是c f d 分析中非常关键 的一部分，所以在设定边界条件必须严格按照模型的参数进行设置。 边界条件主要分为以下几类： 进出口边界条件、壁面边界条件、内部单元区域边界条件和内部表面边界c 34ic f d 模型进行边界条件设置 对指定的c f d 模型进行边界条件设置，设置步骤为： d e f i n e b o u n d a r rc o n d i t i o n s ，出现如图3 - 3 所示边界条件面板 隧鲎蓉龊爨匿麓蕾瞄嘲蕾幽 _ u 一 j 划三剑坐叫刚 图3 - 3 边界条件选项面板 设定任何边界条件之前，必须检查所有边界区域的区域类型，如有必要就 作适当的修改。比方说：如果你的网格是压力入口，但是你想要使用速度入口， 你就要把压力入口改为速度入口之后再设定。 改变类型的步骤如下： 1 在区域下拉列表中选定所要修改的区域 2 在类型列表中选择正确的区域类型 3 当问题提示菜单出现时，如图3 - 4 所示，点击确认 孽搿裟：= = l 墨嚣4 v b a l e t - 3 8 t y h p ? e 到刖 圈3 4 问题提示菜单 3 4 2 模型进口边界条件设置 在边界条件面板选择进口面i n ，在其对应的进口条件中选择p r e s s u r e - i n l e t ， 压力进口叩可用于可压流，也可以用于不可压流，在本文中模拟的气缸内气体 为可压流，压力入口边界条件显示的信息为： 驻点总压 驻点总温 流动方向 湍流参数 辐射参数 化学组分质量百分比 混合分数和变化 程序变量 离散相边界条件 次要相的体积分数 所有的值都在压力入口面板中输入，压力入口设置如图3 5 所示： 阵罂竺竺竺竺一 6 ”“m ，i - - i “m l ；二w - 1 5 i _ “- 。 f oj 一 一r ；j 簿2 带世唑l 一；= = ；r _ _ _ r ”_ h * 五i f 甜r 厣；丽 ；i 一- 目i k 一 r 一一h “二 m= 圈8 - s 压力进口选项面板 压力入口边界的可压流动计算 对于可压流，应用理想气体的各向同性关系可以在压力入口将总压，静压 和速度联系起来。在入口处输入总压，在临近流体单元中输入静压，有关系式 如下： 牢盟：f 1 + 型m2 r ( 3 - 1 3 ) + p 。l 2 j 其中马赫数定义为： m ：! ：当 ( 3 - 1 4 ) c 球 入口处的各个速度分量用方向矢量来计算。对于可压流，入口平面的密度 由理想气体定律来计算： p = b ：+ p o 。v 月r r 由压力入口边界条件定义的组分质量百分比来计算。 关系由下式计算： r t o = l + y 2 - 1 村2 ( 3 - 1 5 ) 入口静温和总温的 ( 3 1 6 ) 3 4 3 模型出口边界条件设簧 压力出口边界条件需要在出口边界处指定静( g a u g e ) 压。静压值的指定只 用于压声速流动，压力出口边界条件显示的信息为： 静压 回流条件 总温即驻点温度 湍流参数 化学组分质量百分数 混合分数和变化 发展变量 二级相的体积分数 辐射参数 离散相边界条件 上面的所有值都由压力出口面板输入，压力入口设置如图3 - 6 所示： 2 1 0 f 目日_ 目自$ 日i 日b g 嘟 = = 一 。1 一r 一“” “w 二t = ：= ：= 盎一， 9 。“一i - _ 。w ： m 1 k 一- 。 - 一 # 一1 ： i 一 ! l _ ! ! _ 圈3 - 6 压力出口选项面扳 3 5 组分输运模型设置 3 5 1 组分与化学反应模拟概述 c f d 软件可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方 程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在 大量相( 容积反应) 中，和或是壁面、微粒的表面。包括反应或不包括反应的 物质输运模拟能力。组分模型( s p e c i e sm o d e l ) 用于对化学组分的输运和燃烧 等化学反应进行模拟。c f d 提供的组分模型包括s p e c i e sm o d e l ( 组分输运模 型) 、n o n p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 非预混燃烧模型) 、p r e m i x e dc o m b u s t i o n m o d e l ( 预混燃烧模型) 、p a r t i a l l yp r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 部分预混合燃烧模 型) 和c o m p o s i t i o np d ft r a n s p o r tm o d e l ( 组分p d f 输运模型) 。 3 5 2 燃烧模型 a 物质输运方程 当你选择解化学物质的守恒方程时，c f d 通过第f 种物质的对流扩散方程预 估每种物质的质量分数y i ，守恒方程采用以下的通用形式： i 兰( p r ) + v ( 少r ) = 一v 3 ；+ r ，+ s ( 3 1 7 ) 其中尺，是化学反应的净产生速率，s ，为离散相及用户定义的源项导致的额外产 生速率。在系统中出现n 种物质时，需要解n 1 个这种形式的方程。由于质量分 数的和必须为1 ，第n 种物质的分数通过l 减去n 1 个已解得的质量分数得到。为 了使数值误差最小，第n 种物质必须选择质量分数最大的物质。 b 湍流中的质量扩散 在湍流中，c f d 以如下形式计算质量扩散： z 一( 以，告】v ( 3 - 1 8 ) 其中s c ，是湍流施密特数，牟( 缺省设置值为o 7 ) 。 o u 。 c 能量方程中的物质输送处理 在许多多组分混合流动中，物质扩散导致了焓的传递。 v 降叫 这种扩散对于焓场有重要影响，不能被忽略。特别是，当所有物质的l e w i s 粒 比= 丽k p cp u i 。m 2 l ( 3 1 9 ) 远离时忽略这一项会导致严重的误差。 c f d 缺省地包含这一项。在方程中，t 为热导率。 d 涡耗散模型 驴v 以却；i t j | n 志 协z ”v i 朋印；艺季 协： 其中y p 是每种产物的质量分数。乓是特定反应物的质量分数a 为经验产 量4 0 ，b 为经验常量05 。 燃烧模型的设置如图3 - 7 所示： 曩煎塑塑兰瞳蹭孽孽蜒鲤受整蠕鲤鲤登圈竖匣麓璺 ! ：= ：器：= d _ ”一 ：船勰嚣“ 图3 - 7 燃烧模型设置选项 353 n 0 x 模型 n o ，排放主要是一氧化氮( n o ) 。其次是二氧化氮( n 0 2 ) 和一氧化二氮 ( n 2 0 ) 。n o ，会导致光化学雾，酸雨，臭氧损耗。因此，n o 。是一种污染物。 f l u e n t 中的n o 。模型提供了一种理解n o ，产生源和帮助设计n o ，控制方法 的工具。 f l u e n t 中n o ，模型能够模拟热力型、快速型、燃料型以及由于燃烧系统 里回燃导致的n o 。的消耗。内燃机中只出现热力型、快速型两种途径，而燃烧 系统里回燃导致的n o 。的消耗主要是燃气轮机中n o 生成途径，燃料型是燃煤 时产生的，称为f b n ( f u e l b o u n dn i t r o g e n ) 1 2 4 , 如图3 - 8 所示： 3 5 组分输运模型设置 3 5 1 组分与化学反应模拟概述 c f d 软件可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方 程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在 大量相( 容积反应) 中，和或是壁面、微粒的表面。包括反应或不包括反应的 物质输运模拟能力。组分模型( s p e c i e sm o d e l ) 用于对化学组分